Основи екології - Мягченко О.П. - 1.3.3. Основні функції біосфери

Біосфера Землі - частина космічної системи, якій притаманні певні функції, властивості, що обумовлюються законами Всесвіту - законами хімії, фізики, механіки. Вони зумовлюють самоорганізацію Всесвіту, його частин - галактик, зоряних систем. Будь-де з елементарних часток утворюються атоми, з них - молекули, які, ускладнюючись, утворюють основу життя - клітини, з яких само-організуються організми.

В.І. Вернадський писав, що життя - основа Всесвіту - вічне, як сама матерія та енергія. Він стверджував, що "Космос без матерії, без енергії не може існувати". І далі: "Для нас стає зрозумілим, що життя - явище космічне, а не сугубо земне". Існує принцип Ф. Реді (1626-1698): "Все живе - лише від живого". Підтвердженням цьому служать праці відомого вченого Чижевського, який довів в 20-х рр. XX ст., що ритми сонячної активності впливають на земні процеси - із ними збігаються сплески стихій - землетрусів, виверження вулканів, епідемій, війн, революцій, народження геніальних, талановитих людей. Біоекологія формує не тільки теоретичні основи пізнання структури, властивостей біосфери, а й вивчає насамперед реальні взаємозв'язки, що виникають в рослинному і тваринному світах. Від властивостей оточуючого їх середовища залежать їх будова, біохімічні, фізіологічні функції, які зумовлюють основні властивості біосфери.

Газова - більшість газів атмосфери - кисень, водень, метан, вуглекислий газ - результат біогеохімічної функції біосфери, діяльності в основному рослин.

Концентраційна - за рахунок життєдіяльності організмів накопичилися органічні види палива - кам'яне вугілля, нафта, торф, утворилися родовища корисних копалин - карбонати (крейда, мармур, вапняк, черепашник), залізні руди, в атмосфері накопичився кисень за рахунок фотосинтезу рослин.

Окиснювально-відновна - забезпечує єдність всіх хімічних процесів, що відбуваються в біосфері та зумовлюють їх здійснення в речовинах органічного або неорганічного походження.

Біохімічна або біогеохімічна - за рахунок діяльності людини, всіх інших організмів, які визначають структуру та властивості біосфери.

Вперше на ці функції звернув увагу В.І. Вернадський. Вони визначають обмін речовин, їхні кругообіги, що відбуваються навіть у найменшій сукупності організмів, які взаємодіють з середовищем. Існують великий - біосферний і різного рівня малі кругообіги - в краплі води, озері, в будь-якій ділянці біосфери. Під терміном "кругообіг" розуміють такий розвиток об'єкта, коли він повертається у вихідне положення, але не стан. Кругообіги, зміни у біосфері характеризуються певними залежностями, законами, які поступово встановлюють вчені.

1.3.4. Закони біосфери

Будь-яке вчення є науковим, якщо в ньому відбиваються певні закономірності, що виражені аксіомами, постулатами, законами, які відображають реальні характеристики, зв'язки, функції певного об'єкта, системи. Це, наприклад, аксіома Ч. Дарвіна про адаптованість. Згідно з нею кожний організм або вид адаптований до певних, специфічних для нього, умов існування. Адаптація організму зумовлена генетично, а також за допомогою фізіологічних, поведінкових, ембріональних механізмів. Отже, порушення цих механізмів руйнує адаптивні можливості організму, що може сприяти його зникненню. Теоретичну основу сучасної екології складають 129 теорем, 57 законів, 40 правил, 36 принципів.

Важливими є постулати, принципи, зокрема феноменологічний постулат Хінчина (1983) та Брилюєна (1956), згідно з яким ступінь упорядкованості системи зростає, якщо міра хаосу (ентропії) зменшується, і навпаки. Це важливо для характеристики будь-якого біоценозу як сукупності популяцій різноманітних організмів - рослин, тварин, мікроорганізмів, що населяють певний біотоп.

Постулат Моісєєва (1988) про економію енергії вказує на те, що найбільша вірогідність на збереження стабільності та розвиток має екосистема, що утилізує зовнішню речовину та енергію, що накопичилася в ній в оптимальних кількостях і найбільш ефективно.

Поняття ентропії, яке запропонував Р. Клаузіус в 1865 р. для характеристики термодинамічних процесів, є одним з найважливіших у сучасній науці, в екології. У навколишньому середовищі ентропія (міра хаосу, безпорядку) значно вища, ніж в організмі, системі, які знаходяться в певному оточуючому їх середовищі. За рахунок автоматичного зменшення ентропії виникають та існують будь-які системи - живі, неживі.

Час існування системи-об'єкта залежить від його ентропійної стійкості. Ентропія характеризує кількість енергії, що використовується для підвищення рівня високої самовпорядкованості, для тривалого існування організму, виду. В живому об'єкті збільшений порядок, зменшена ентропія за рахунок середовища. При цьому система набуває більш високої організації, структурованості, ніж оточуюче середовище. Ентропію (Б) системи можна визначити рівнянням Шеннона (1948): S=ΣР_кlnР_к, де ΣР_к=1, k - кількість елементів-носіїв інформації (рослин, тварин); Р - вірогідність явища. Чим більше значення S, тим менша стійкість системи в часі і просторі. Найбільші значення ентропії характерні для деградованих екосистем, найменші - для стійких, наприклад для екваторіальних тропічних лісів. Рівень ентропії визначається кількістю отриманої інформації, а отже, енергії, яка структурує, формує організм, біологічну, фізичну систему.

Інформація (лат. - пояснення), на відміну від ентропії, відображає ступінь впорядкованості системи. Це одне з основних понять кібернетики, зокрема екологічної кібернетики. За Н. Вінером (1984), від кількості інформації залежить стан, добробут будь-якої системи. Інформація тісно пов'язана з ентропією, яку вимірюють в джоулях на Кельвін (Дж/град), тобто це енергетичний показник будь-якої системи - живої, неживої. Вона впливає на ритмічність, циклічність процесів у біосфері - тектонічні, магматичні, осадко- та гороформуючі процеси, зміни клімату, екосистем.

Основу будь-якої науки, і передусім фундаментальної, складають принципи (лат. - початок, основа), які є її основними положеннями, в тому числі екології. Одним з основних з них є принцип Гаузе (1934), або конкурентного виключення - принцип екологічної несумісності, згідно з яким два види з подібними екологічними вимогами не можуть довгий час займати одну екологічну нішу. Важливим є принцип екологічного дублювання, який характеризує відносну функціональну взаємозалежність популяцій певної трофічної групи в біоценозі. При екологічному дублюванні винищений або зниклий вид заміщується функціонально близьким, або його місце кількісно замінюється екологічно аналогічними, близькими за функціями видами. Наприклад паразити замінюють хижаків, гризуни - копитних. Принцип Тишлера (1955) характеризує склад і розмір ареала виду або місцезнаходження популяції, які зумовлені їх біологічними характеристиками, особливостями. Принцип мінімального розміру популяції вказує на те, що будь-яка популяція має певну мінімальну чисельність особин, подальше зменшення якої призводить до її зникнення, або навіть виду в цілому. Принцип екологічної відповідності - існування організму завжди залежить від його умов життя. Це основний принцип органічної еволюції, бо організм для свого виживання і розвитку повинен приводити свої життєві процеси у відповідність з особливостями та характеристиками довкілля. Принцип територіальної близькості - основа фізико-географічного районування - одна і та ж фізико-географічна одиниця (район, провінція) не можуть бути представлені різними, віддаленими один від одного ділянками. Цей принцип відображає неповторність у просторі індивідуального характеру структури регіону, наприклад індивідуального ландшафту, для якого тільки йому характерні певні співвідношення між рослинами, тваринами, рельєфом, погодно-кліматичними умовами, що відрізняють його від сусідніх ландшафтів.

Екологія, як і будь-яка сучасна наука, виявляє закони і оперує ними, порушення яких викликає негативні результати в біосфері, а отже, і в організмі людини. Закони біосфери, які вивчає екологія, складають основу раціональної взаємодії суспільства, кожної людини з природою.

Перший закон В.І. Вернадського - біогенна міграція елементів відбувається в біосфері під впливом її компонентів - тварин, рослин - живої речовини. Антропогенні чинники, впливаючи на стан біосфери, змінюють її фізичний, хімічний склад, умови еволюційно-збалансованої міграції речовин. Люди стали рушійною силою змін у біосфері, а це може бути небезпечним при їх нерозумних діях.

Другий закон В.І. Вернадського, або закон константності - кількість живої речовини за певний час (як правило ера, період) є постійною величиною. Відповідно до цього закону збільшення кількості живої речовини в одній частині біосфери супроводжується її зменшенням в іншій. Це наслідок вселенського закону збереження речовини, а отже енергії та інформації. Згідно з цим законом та законом самовдосконалення будь-якої системи - від атома до суспільства - більш організовані системи (людина, суспільство) виникають, існують за рахунок менш організованих.

Третій закон В.І. Вернадського - закон фізичної, хімічної єдності живої речовини. Все живе має спільну фізичну, хімічну основу, тобто в основі живих систем знаходяться однакові хімічні, біохімічні, фізичні процеси, що обумовлені загальними законами хімії, фізики і діють вони незалежно від стану системи - живої або неживої.

Закон Вернадського-Бауера, відповідно до якого будь-яка біологічна система, що знаходиться в стані динамічної рухливої рівноваги із довкіллям, розвиваючись, збільшує свій тиск на середовище. Цей закон пов'язаний із принципом Ле-Шательє, який управляє хімічними рівноважними зворотними процесами, системами та екологічним законом внутрішньої динамічної рівноваги. Енерго-інформаційні, ентропійні, речовинні та динамічні характеристики системи змінюються так, щоб загальна стійкість системи була постійною. Це один із важливих законів природокористування, що визначає процеси саморегулювання і самовідновлення біосфери, її екосистем.

Закон В.І. Вернадського про перетворення біосфери в ноосферу (1944). В результаті розумної, раціональної взаємодії людини з біосферою обов'язково виникає ноосфера - частина біосфери, де проявляються наслідки розумної діяльності людини - антропосфера.

Закон Сент-Ілера (1772-1824) - життя на Землі - природна таксономічна система, яка складається з ієрархічних груп - таксонів різноманітного рангу і є результатом поступового, еволюційного розвитку. Розмаїтість форм живого є історичною, еволюційною послідовністю їх виникнення і розвитку - від простого до складного, носить дивергентний (розгалужений) і адаптивний характери.

Закон Долло (1893) - про незворотність еволюційних процесів. Види, популяції, що зникли, вже ніколи не зможуть з'явитися у тому ж стані, вигляді. Про це писав ще у 1859 р. Ч. Дарвін.

Закон М. Кренке (1892-1939) - існування будь-якого організму обмежене в часі. Тимчасові характеристики організмів вивчає хроноекологія. У сучасній біології поняття часу має таке ж фундаментальне значення, як і у фізиці. Про це, виступаючи в 1931 р. на загальних зборах Академії Наук СРСР, говорив В. І. Вернадський у доповіді "Проблеми часу в сучасній науці".

Закон Уоддінгтона - закон інформаційної обумовленості біологічних явищ. Системно-регуляторні чинники, що впливають на розвиток і життя організму, контролюють процеси обміну речовин, а отже, енергії, інформації - генетичної (внутрішня) і екологічної (зовнішня). В результаті генетичних і біохімічних досліджень виявлені речовини, близькі до нуклеїнових кислот, що є носіями біологічної інформації - інформатиди або семантиди.

Загальний закон розвитку природи - абсолютно ізольований саморозвиток неможливий, тому що будь-яка природна система може розвиватися тільки за рахунок обміну речовин, енергії, інформації з іншими системами. Не є виключенням біосфера Землі, яка пов'язана з оточуючим Космосом, його об'єктами, наприклад Сонцем, планетами. Наслідки цього закону - абсолютно безвідхідні антропогенні виробництва неможливі, крім самої біосфери; будь-яка високоорганізована система в своєму розвитку несе потенційну загрозу існуванню менш організованим. З цього випливає, що повторне самозародження життя неможливо - воно буде знищене вже існуючими організмами; еволюція біосфери Землі відбувається за рахунок внутрішніх і космічних ресурсів.

Закон оптимальності - ніяка система не може звужуватися або розширюватися нескінченно. Цей закон обумовлює оптимальні розміри сільськогосподарських ланів, кількість вирощуваних тварин, рослин. Ігнорування цього закону призвело до створення величезних площ монокультур, змін ландшафтів і викликало порушення у функціонуванні екосистем, виникнення екологічної кризи. Людство своїм експансивним розвитком порушило цей і багато інших законів біосфери.

Закон екологічної кореляції - в будь-якій екосистемі всі біотичні, абіотичні компоненти функціонально пов'язані. Зникнення будь-якої частини системи неминуче веде до зникнення з нею пов'язаних інших її компонентів, до появи функціональних змін, її руйнації як єдиного цілого.

Закон максимізації енергії, інформації - виживає, стабільно існує, еволюціонує та система, яка максимально ефективно накопичує і використовує, речовину, енергію та інформацію. Цей закон сформулювали екологи - брати Герберт і Юджин Одуми, а доповнив його М. Реймерс. Він відображає хід круговоротів речовин, механізми регулювання, підтримки стійкості системи, її спроможності пристосовуватися до змін.

Закон зменшення енерговіддачі в природокористуванні - при одержанні з екосистем продукції витрати енергії зростають у часі. Наприклад, витрати енергії на одну людину за добу тепер приблизно у 60 разів більші, ніж у часи далеких предків. Збільшення енергетичних витрат не може відбуватися нескінченно, що важливо знати при плануванні взаємовідносин із природою.

Закон Ліндемана (1942), або закон піраміди енергій - з більш низького трофічного рівня екологічної піраміди на більш високий передається в середньому 10% енергії, накопиченої в органічній речовині. Закон встановлює трофічні співвідношення між різноманітними групами організмів.

Закон однонаправленості потоків енергії. Він характеризує її розподіл між консументами (споживачами) першого, другого, третього та інших порядків і редуцентами. Зворотний потік енергії - від редуцентів до продуцентів складає тільки 0,25% від початкової кількості.

Закон Мітчерліха-Тінемана-Бауле характеризує сукупну дію природних чинників, які впливають на біологічну продуктивність системи, яка залежить не від одного, навіть лімітуючого, чинника, а від їхньої сукупності.

Закон обмеженості природних ресурсів. Всі природні ресурси, як речовинні концентратори енергії, в умовах Землі вичерпні, тому що сама планета є природно обмеженим тілом і тому на ній не можуть існувати безкінечні складові - ресурси.

Закон Дансеро (1957), або двостороннього зв'язку при взаємодії людини з біосферою, відповідно до якого будь-яка зміна в природі викликає відповідні реакції. Наприклад, вирубування лісів в Месопотамії призвело до змін у кліматі та появи пустелі, будівництво зрошувальних систем - до засолення земель (наприклад на півдні України); сучасне забруднення атмосфери - до виникнення парникового ефекту, утворення кислотних осадків, руйнування озоносфери.

Закон Пратта (1965), або закон лімітованої врожайності, відповідно до якого при необгрунтованому збільшенні кількості мінеральних добрив зменшується врожайність. Закон стомлення грунту, або зменшення родючості: ґрунт, як один із ресурсів планети, є вичерпним ресурсом. Порушення природних процесів ґрунтоутворення є наслідком нераціонального ведення сільського господарства - впровадження системи монокультур, застосування токсичних речовин, що мають властивості ксенобіотиків.

Закон Шелфорда - кожен організм має еволюційно-успадковані верхню та нижню межі стійкості або толерантності до будь-якого екологічного фактора.

Закон Берталанфі (1969) - будь-який організм, як і біосфера, відкрита система, яка здатна саморегулюватися, самовідновлюватися та вдосконалюватися. Відкритість живої системи виявляється в її обміні речовинами, енергією та інформацією з навколишнім середовищем.

Закони Баррі Коммонера - американський еколог, сформулював їх у 1974 р.: "Все пов'язано з усім" - відображають внутрішню динамічну рівновагу у біосфері, зумовлюють її структуру. "Все повинно кудись діватися" - характеризує розвиток будь-якої частини природної системи за рахунок іншої. "Природа знає краще" - незалежно від волі, бажань людей в природі постійно діють закони, що обумовлюють результат будь-якої їх дії і тому природа (біосфера) виправляє неправильні дії людини, суспільства. "Ніщо не проходить безслідно", або - за все треба платити - в природі діє один із Всесвітніх законів - збереження маси речовини, кількості енергії, а отже, інформації. Відповідно до цього закону суспільство повинно повертати природі все, що було з неї вилучено. Багато біосферних процесів тепер охарактеризовані математичними формулами, тобто з'явилася математична екологія. Вона створила прогнозні основи для наукового врахування змін у біосфері, основи для сучасної інвентаризації і екологічного моніторингу.

Питання

1. Що є основою будь-якої науки, її вираженням?

2. Що Ви знаєте про аксіоми, постулати екології?

3. Охарактеризуйте основні принципи, закони сучасної екології та вкажіть їх значення.